後晶片時代

後晶片時代

撰文/Peter Bentley|譯者/畢馨云
轉載自《BBC知識》2018年8月第84期

相較於50年前的電腦處理器,如今處理速度不只快,而且快得嚇人──速度大約每兩年就會翻一倍。英特爾(Intel)共同創辦人Gordon Moore早在1965年就預言這樣的進展,所以這種倍增效應被命名為摩爾定律。如果汽車的最高時速也從1965年遵照相同趨勢倍增,那麼現在我們在英國銀石(Silverstone)賽道會看到F1車手Lewis Hamilton以時速超過177億公里飛馳而過。

對電腦產業來說,摩爾的預測成為金科玉律,甚至是自我應驗的預言。晶片製造廠受到刺激,也想達到摩爾定律預測的能力,於是發展出更為不同凡響的方法,縮小必要元件以便放進面積越來越小的矽晶片上,並加快這些元件在過程中交互作用的速度。

時至今日,由於大型積體電路可製造功能日益強大的微處理器,電腦產業已改變了世界。從食品配銷到運輸,我們幾乎將生活每個層面數位化,同時創造了老舊處理器絕對無法達到的新技術,如社交媒體、線上遊戲、機器人科學、擴增實境、機器學習等等。

摩爾定律促成了這些轉變,但超乎尋常的進展在我們看來已不足為奇,很多軟體公司基本上假設這種進展會持續下去。然而我們每天製造的數據越來越多,需要極大的電腦倉庫(稱為雲端)來儲存處理數據;當我們製造越多數據,用來分析數據的運算能力就必須越強大。

不過矽晶片不會永遠突飛猛進,我們正走向這個了不起的科技爆炸的盡頭,即將用盡讓電腦變得更快的方法。儘管研究工程師竭盡全力,電晶體縮小的空間仍有限。以蘋果的A11晶片為例,它是當前最好的晶片之一:87.66平方公釐的面積上有43億個電晶體。如果要做得比這更小,電晶體就會因為太小,導致量子物理效應干擾,電子會跳來跳去,出現在不被我們預期的地方。若是空間太小,也難以安排矽晶圓的精細結構,這對於控制其電性質極為重要。若封裝太多電晶體讓它們運作得更快,晶片裡的受限電子流就可能讓晶片持續升溫,如果不刻意冷卻,它會因而燃燒。

科技新頁

這些問題困擾晶片製造廠幾十年了,他們只能盡力避開。我們曾見識微處理器的時鐘速率(電腦的基本運作速度)年年增加,使運算更加快速:1991年有25MHz的i486處理器、1998年是200MHz的PentiumPro處理器、2008年則有3.8GHz的Pentium4。然而這些是在我們還有辦法冷卻微處理器的情況下,所能達到的最快速度。在這之後,製造廠不得不採用多核心,好讓處理器能夠平行處理,以便加快運算速度:首先是雙核心,再來是四核心、八核心、16核心等等。

如今很難再按照摩爾定律預測的進展速度,而且還很昂貴,因此幾乎所有的晶片製造廠都放棄競爭。既然朝這個方向發展不再具成本效益,負責尖端新型晶片製程的研發實驗室也出現大幅衰退──摩爾定律的時代差不多要結束了。

而晶片大廠現在把主力放在專為加速特定運算類型而設計的晶片上,最常見的例子就是圖形處理器。它原本是為了平行執行很多類似運算而發明的,以便做到電腦遊戲所需的極快速圖像,現在已經發展成通用處理器,用於數據分析與機器學習。其他公司也推出了專屬的特殊應用積體電路(ASIC),譬如Google的張量處理單元(TPU);Google為了以領先業界的速度執行機器學習軟體,開發了TPU,它是排列成256個晶片群的電路(這些晶片全部平行運作),近期已進入軟體beta測試階段(又稱確認測試)。

因此我們也許不該把摩爾定律的結束視為盡頭,離終點還遠得很!我們現在身處技術革新的另一頁,有些新的電腦架構和技術,數十年來頭一遭受到正視。這些新技術顯示,雖然運算的未來不再呈指數增長,但進展仍會持續。這有機會加快傳統運算,也有可能讓我們以全新方式處理資訊。接下來為您介紹,當摩爾定律謝幕時,其他會使運算世界發生大變革的技術。

權宜之計

在集中火力發展下一代處理器技術之前,我們還是會繼續從其他構想中勉強維持進展速度。現在雖然有越來越多針對特定運算形式的奇特處理器設計,不過製造新晶片的過程既緩慢又花錢。替代方案之一是現場可程式化邏輯閘陣列(FPGA),它是能夠重新配置的晶片,我們不須製造新晶片,就能改變內部電路並有效做出新的硬體。目前FPGA加速器有越來越多的應用,從倫敦的飛快自動交易,到分析數據的加速機器學習與人工智慧。儘管這並非新技術,最新的FPGA還是有更大的容量,可以利用與傳統程式類似的語言來重新配置,讓任何人不必成為電腦高手,也能做出自己的硬體。

量子計算

Intel的17量子位元超導測試晶片。(圖片來源: Intel Corporation)

取代傳統矽晶片的所有候選者中,大家最熟悉的大概是量子計算。與其讓量子效應阻撓微小電晶體運作,何不利用這種細微量子效應打造元件?量子計算仰賴的基本要素叫做量子位元(qubit)。普通位元(用於傳統計算的基本資訊單位)的值不是0就是1,好比一顆球的北極與南極,但量子位元的值可表示球面上任何位置,這使得量子位元能夠以更少的能量處理更多資訊。

如今有數個量子電腦的早期例子,各遵循IBM、Google、Rigetti、Intel略微不同的設計。最後哪家公司與哪類型的量子電腦會勝出,並主導這個奇特的新型計算領域,仍有待觀察,不過光是初期結果就讓人覺得大有可為。

憶阻器

憶阻器(memristor)剛開始是位電路理論學家在1970年代初期設想出來的電子元件,他的構想是這個元件會記住通過其上的電流,而它的電阻會隨此紀錄而變動。它被設計成基本電路元件,就像電晶體或電容器一樣重要。

只要配置正確,憶阻器就可以完全取代電晶體。比起電晶體,憶阻器可以用更高的密度配置,所以能夠製成更快的處理器或容量更大的記憶體。有些人因此認為,憶阻器是模擬神經網路與執行機器學習的理想元件。不過儘管理論上可行,已證明難以真的製出憶阻器。雖然去年已推出第一批商用憶阻器,但這些憶阻器是否和原先設想的版本相同,大家還無法達成共識。

石墨烯處理器

IBM 研究部的石墨烯晶片。(圖片來源:IBM)

很多新興奇特材料有可能應用於電子學,比方說導電性極優的石墨烯,這種不尋常的熱門新材料是由碳分子晶格所構成,硬度是鑽石的40倍。

美國數所大學最近做的研究,是利用石墨烯製造出速度比矽晶快1,000倍的電晶體。由於電阻較小,石墨烯處理器的速度有可能提高1,000倍,用電量還比傳統技術來得少。

活體晶片

許多研究人員正設法打造以腦神經元為靈感的電腦,舉例來說,由歐盟資助的大型人腦計畫(HBP),就在研究如何製造出模擬大腦運作方式的演算法和電腦。然而有些研究人員更具雄心:Koniku是第一家致力使用活體神經元製造電腦的公司。創辦人Oshiorenoya Agabi說,「我們的根本想法就是,可以實際使用真正的、有生命的神經元運算。」Koniku公司的目標是透過改變DNA,培育活體神經元,然後讓這些神經元在「活體晶片」上存活並運作長達兩年。Koniku公司表示,最終可能會發展成用於安全和軍事用途的生物處理器,可偵測毒品或爆裂物的氣味。

(本文由教育部補助「AI報報─AI科普推廣計畫」取得網路轉載授權)

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